启动以及使用组合填充焊丝输送和高强度能量源的用于焊接的方法和系统的制作方法
【专利说明】启动以及使用组合填充焊丝输送和高强度能量源的用于焊 接的方法和系统
[0001] 本申请是美国专利申请No. 13/212,025的部分继续申请并且要求所述美国专 利申请No. 13/212,025的优先权，所述美国专利申请No. 13/212, 025是美国专利申请 No. 12/352, 667的部分继续申请并且要求所述美国专利申请No. 12/352, 667的优先权。所 述美国专利申请No. 13/212, 025和No. 12/352,667的全部内容通过引用被并入本文。 发明领域
[0002] 本发明涉及根据权利要求1的焊接方法和根据权利要求10的焊接系统。某些实 施方案涉及填充焊丝熔覆应用以及焊接和接合应用。更具体地，某些实施方案涉及启动 和使用组合填充焊丝输送和能量源系统的系统和方法，用于钎焊、熔敷（cladding)、堆焊 (building up)、填充、表面硬化（hard-facing)恪覆、接合以及焊接应用中的任一个。
【背景技术】
[0003] 传统的填充焊丝焊接方法（例如，气体保护钨极弧焊（GTAW)填充焊丝方法）提供 增加的沉积率以及超过单独传统弧焊速度的焊接速度。引导焊炬的填充焊丝由单独的电源 供应器来电阻加热（resistance-heated)。焊丝通过导电管被朝向工件输送并且延伸超过 所述管。延伸部分被电阻加热，以使延伸部分靠近或达到熔点并且接触焊接熔池。钨电极可 以被用于加热和熔化工件以形成焊接熔池。电源供应器提供电阻熔化（resistance-melt) 填充焊丝所需的大部分能量。在某些情况下，焊丝输送可能会滑脱（slip)或出现故障 (faulter)，并且焊丝中的电流可能导致在焊丝末端和工件之间产生电弧。这样的电弧的额 外的热量可能会导致焊穿和飞溅。产生这样的电弧的风险在工艺开始时较高，其中焊丝初 始地与工件接触很小部分（small point)。如果焊丝中的初始电流过高，该部分可能被烧 掉，导致产生电弧。
[0004] 通过将常规的、传统的以及已提出的手段与如在本申请的其余部分中参照附图所 阐述的本发明的实施方案相比，对本领域技术人员来说这样的手段的进一步的局限性和缺 点将会变得明显。
【发明内容】
[0005] 本发明的目标是克服限制和缺点。本发明进一步的目标是最小化电弧出现的风 险。该问题通过根据权利要求1的焊接方法以及通过根据权利要求10的焊接系统来解决。 进一步的实施方案是从属权利要求的主题。本发明的实施方案包括启动和使用组合填充焊 丝输送器和能量源系统的系统和方法。本发明的第一实施方案包括启动和使用组合焊丝输 送和能量源系统的方法，用于钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆、焊接以及接合应用中 的任一个。所述方法包括通过电源在至少一条阻性填充焊丝和工件之间施加感测电压，以 及将所述至少一条阻性填充焊丝的远侧端朝向所述工件送进。所述方法还包括感测何时 所述至少一条阻性填充焊丝的所述远侧端第一次与所述工件接触。所述方法还包括响应于 所述感测，在限定的时间间隔关闭到所述至少一条阻性填充焊丝的所述电源。所述方法还 包括在所述限定的时间间隔结束时打开所述电源，以施加通过所述至少一条阻性填充焊丝 的加热电流。所述方法还包括至少在施加所述加热电流的同时将来自高强度能量源的能 量施加到所述工件，以加热所述工件。所述高强度能量源可以包括激光装置、等离子弧焊 (PAW)装置、气体保护钨极弧焊（GTAW)装置、气体保护金属极弧焊（GMW)装置、焊剂芯弧焊 (FCAW)装置以及埋弧焊（SAW)装置中的至少一个。
[0006] 从如下的说明书和附图，所要求保护的本发明的这些和其他特点以及图示说明的 本发明的实施方案的细节将会被更加完整地理解。
[0007] 附图简要描沐
[0008] 图1图示说明组合填充焊丝输送器和能量源系统的示例性实施方案的功能性示 意方框图，所述系统用于钎焊、熔敷、堆焊、填充以及表面硬化熔覆应用中的任一个；
[0009] 图2图示说明由图1的系统所使用的启动方法的实施方案的流程图；
[0010] 图3图示说明由图1的系统所使用的启动之后的方法的实施方案的流程图；
[0011] 图4图示说明与图3的启动之后的方法相关联的一对电压和电流波形的第一示例 性实施方案；
[0012] 图5图示说明与图3的启动之后的方法相关联的一对电压和电流波形的第二示例 性实施方案；
[0013] 图6和图6A图示说明被用来执行焊接操作的本发明的另外的示例性实施方案；
[0014] 图7、图7A和图7B图示说明用本发明焊接的附加的示例性实施方案；
[0015] 图8图示说明同时将接头的两侧接合的另外的示例性实施方案；
[0016] 图9图不说明用本发明焊接的另一个不例性实施方案；
[0017] 图10图示说明用多种激光器和焊丝焊接接头的本发明的另一个示例性实施方 案；
[0018] 图IlA至图IlC描绘与本发明的实施方案一起使用的导电嘴（contact tip)的示 例性实施方案；
[0019] 图12图示说明根据本发明的实施方案的热焊丝电源供应器系统；
[0020] 图13A-C图示说明由本发明的示例性实施方案创建的电压和电流波形；
[0021] 图14图示说明根据本发明的示例性实施方案的另一种焊接系统；
[0022] 图15图示说明由本发明的实施方案创建的焊接熔池的示例性实施方案；
[0023] 图16A至图16F图示说明根据本发明的实施方案的焊接熔池和激光束使用的示例 性实施方案；
[0024] 图17图示说明根据本发明的另一个示例性实施方案的焊接系统；
[0025] 图18图示说明可以被用在本发明的实施方案中的斜坡下降（ramp down)电路的 示例性实施方案；
[0026] 图19图示说明根据本发明的排烟管口的示例性实施方案；
[0027] 图20A图示说明使用电弧焊接工艺的薄壁焊接工艺的结果；以及
[0028] 图20B图示说明使用本发明的薄壁焊接工艺的示例性实施方案的结果。
[0029] 具体描沐
[0030] 术语"熔覆（overlaying) "在本文以广义的方式被使用，并且可以涉及包括钎焊、 熔敷、堆焊、填充以及表面硬化的任何应用。例如，在"钎焊（brazing)"应用中，填充金属 通过毛细作用被分布在接头的紧密配合的（closely fitting)表面之间。然而，在"硬钎焊 (braze welding)"应用中，填充金属被形成为流入空隙。然而，如本文所使用的，这两种技 术都被广义地称为熔覆应用。
[0031] 图1图示说明组合填充焊丝输送器和能量源系统100的示例性实施方案的功能性 示意方框图，系统100用于实现钎焊、熔敷、堆焊、填充、表面硬化熔覆，以及接合/焊接应用 中的任一个。系统100包括激光子系统，该激光子系统能够将激光束110聚焦到工件115 上，以加热工件115。激光子系统为高强度能量源。激光子系统可以是任何类型的高能量 激光源，包括但不限于二氧化碳、Nd: YAG、Yb-片（disk)、YB-光纤、光纤传递或直接二极管 激光器系统。另外，甚至如果白光或石英灯激光器类型的系统具有足够的能量，可以使用它 们。该系统的其他实施方案可以包括起到高强度能量源作用的电子束、等离子弧焊子系统、 气体保护钨极弧焊子系统、气体保护金属极弧焊子系统、焊剂芯弧焊子系统以及埋弧焊子 系统中的至少一个。下面的说明书将反复地涉及激光系统、光束和电源供应器，然而，应该 理解的是，这种涉及是示例性的，因为任何高强度能量源可以被使用。例如，高强度能量源 可以提供至少500W/cm 2。激光子系统包括可操作地相互连接的激光装置120和激光电源供 应器130。激光电源供应器130提供功率以操作激光装置120。
[0032] 系统100还包括热填充焊丝输送器子系统，该子系统能够提供至少一条阻性填充 焊丝140,以在靠近激光束110处与工件115接触。当然，理解的是，关于本文的工件115， 熔池被认为是工件115的一部分，因此涉及到与工件115接触包括与焊接熔池接触。热填 充焊丝输送器子系统包括填充焊丝输送器150、导电管（contact tube) 160以及热焊丝电 源供应器170。在操作期间，引导激光束110的填充焊丝140由来自热焊丝焊接电源供应 器170的电流来电阻加热，该热焊丝焊接电源供应器170可操作地连接于导电管160和工 件115之间。根据本发明的实施方案，热焊丝焊接电源供应器170是脉冲直流（DC)电源， 然而交流（AC)或其他类型的电源供应器也是可能的。焊丝140通过导电管160从填充焊 丝输送器150被朝向工件115输送，并且延伸超过管160。焊丝140的延伸部分是被电阻加 热的，以致该延伸部分在接触到工件上的焊接熔池之前接近或达到熔点。激光束110用于 熔化工件115的基底金属的一些以形成熔池，并且还将焊丝140熔化到工件115上。电源 供应器170提供电阻熔化填充焊丝140所需的大部分能量。根据本发明的某些其他实施方 案，输送器子系统可以能够同时提供一条或更多条焊丝。例如，第一焊丝可以被用于表面硬 化和/或为工件提供耐腐蚀性（corrosion resistance)，而第二焊丝可以被用于对工件增 加构造。
[0033] 系统100还包括运动控制子系统，该子系统能够沿工件115以相同方向125 (至少 是相对而言）移动激光束110 (能量源）和阻性填充焊丝140,以致激光束110和阻性填充 焊丝140保持为相对于彼此是固定的关系。根据各种实施方案，工件115和激光/焊丝组 合之间的相对运动可以通过实际上移动工件115或通过移动激光装置120和热焊丝输送器 子系统来实现。在图1中，运动控制子系统包括可操作地连接到机器人190的运动控制器 180。运动控制器180控制机器人190的运动。机器人可操作地连接（例如，机械地固定） 到工件115,以在方向125上移动工件115,以致激光束110和焊丝140沿工件115有效地 行进。根据本发明可替换的实施方案，激光装置110和导电管160可以被整合到单个头部 (head)中。该头部可以通过可操作地连接到该头部的运动控制子系统沿工件115被移动。
[0034] 总地来说，存在高强度能量源/热焊丝可以相对于工件被移动的数种方法。例如， 如果工件是圆形的，高强度能量源/热焊丝可以为静止的并且该工件可以在该高强度能量 源/热焊丝下被转动。可替换地，机器手或线性拖车（tractor)可以平行于该圆形工件移 动，并且当该工件被转动时，该高强度能量源/热焊丝可以连续移动或者例如每次绕转进 行一次调位，以熔覆该环形工件的表面。如果工件是扁平的或至少不是圆形的，如图1中示 出的，该工件可以在高强度能量源/热焊丝下被移动。然而，机器手或线性拖车或者甚至是 横梁式安装的支架可以被用于相对于工件移动高强度能量源/热焊丝头部。
[0035] 系统100还包括感测和电流控制子系统195,该子系统195可操作地连接工件115 和导电管160 (即，有效地连接热焊丝电源供应器170的输出）并且能够测量工件115和热 焊丝140之间的电位差（即，电压V)以及通过工件115和热焊丝140的电流（I)。感测和 电流控制子系统195可以能够进一步从所测量的电压和电流计算电阻值（R = V/I)和/或 功率值（P = V*I)。一般而言，当热焊丝140与工件115接触时，热焊丝140与工件115之 间的电位差为零伏特或者非常接近零伏特。因此，如在文本中稍后被详细描述的，感测和电 流控制子系统195能够感测何时阻性填充焊丝140与工件115接触并且可操作地连接热焊 丝电源供应器170,以能够响应于该感测而进一步控制通过阻性填充焊丝140的电流。根据 本发明的另一实施方案，感测和电流控制器195可以为热焊丝电源供应器170的一体的部 分。
[0036] 根据本发明的实施方案，运动控制器180还可以可操作地连接激光电源130和/ 或感测和电流控制器195。以这种方式，运动控制器180和激光电源130可以相互通信，从 而激光电源130知晓何时工件115正在运动，并且从而运动控制器180知晓激光装置120 是否在工作状态（active)。类似地，以这种方式，运动控制器180与感测和电流控制器195 可以相互通信，从而感测和电流控制器195知晓何时工件115正在运动，并且从而运动控制 器180知晓热填充焊丝输送器子系统是否在工作状态。这样的通信可以用于协调系统100 的各种子系统之间的活动。
[0037] 图2图示说明图1的系统100所使用的启动方法200的实施方案的流程图。在步 骤210中，通过电源170在至少一条阻性填充焊丝140和工件115之间施加感测电压。感 测电压可以通过热焊丝电源供应器170在感测和电流控制器195的命令下来施加。此外， 根据本发明的实施方案，施加的感测电压并不提供足够的能量来大幅地加热焊丝140。在 步骤220中，将至少一条阻性填充焊丝140的远侧端朝向工件115送进。该送进是由焊丝 输送器150实现的。在步骤230中，感测何时至少一条阻性填充焊丝140的远侧端第一次 与工件115接触。例如，感测和电流控制器195可以命令热焊丝电源供应器170提供通过 热焊丝140的非常低的电流水平（例如，3至5安培）。这样的感测可以通过下列内容来实 现：感测和电流控制器195测量填充焊丝140 (例如，通过导电管160)和工件115之间的约 为零伏特（例如，〇. 4V)的电位差。当填充焊丝140的远侧端对工件115短路（即，与工件 接触）时，填充焊丝140和工件115之间将不存在明显的（高于零伏特的）电压水平。
[0038] 在步骤240中，响应于该感测，在限定的时间间隔（例如，数毫秒）关闭到至少一 条阻性填充焊丝140的电源170。感测和电流控制器195可以命令电源170关闭。在步骤 250中，在该限定的时间间隔结束时打开电源170,以施加通过至少一条阻性填充焊丝140 的加热电流。感测和电流控制器195可以命令电源170打开。在步骤260中，至少在施加 加热电流的同时将来自高强度能量源110的能量施加到工件115,以加热工件115。
[0039] 作为一种选择，方法200可以包括响应于该感测停止焊丝140的送进，在限定的时 间间隔结束时重新启动焊丝140的送进（即，重新送进），以及在施加加热电流之前确认填 充焊丝140的远侧端仍与工件115接触。感测和电流控制器195可以命令焊丝输送器150 停止输送并且命令系统100等待（例如，数毫秒）。在这样的实施方案中，感测和电流控制 器195可操作地连接焊丝输送器150,以命令焊丝输送器150开始和停止。感测和电流控制 器195可以命令热焊丝电源供应器170施加加热电流来加热焊丝140,并且再次朝向工件 115输送焊丝140。
[0040] -旦启动方法被完成，系统100可以进入启动之后的操作模式，其中激光束110和 热焊丝140被相对于工件115移动，以实现钎焊应用、熔敷应用、堆焊应用、表面硬化或焊接 /接合应用中的一个。图3图示说明图1的系统100所使用的启动之后的方法300的实施 方案的流程图。在步骤310中，沿工件115移动高强度能量源（例如，激光装置120)和至 少一条阻性填充焊丝140,以致至少一条阻性填充焊丝140的远侧端引导该高强度能量源 (例如，激光装置120)或者与该高强度能量源（例如，激光装置120) -致，从而当至少一条 阻性填充焊丝140被朝向工件115输送时，来自该高强度能量源（例如，激光装置120)(例 如，激光束110)和/或被加热的工件115(即，工件115被激光束110加热）的能量将填充 焊丝140的远侧端熔化到工件115上。运动控制器180命令机器人190相对于激光束110 和热焊丝140移动工件115。激光电源130提供功率来操作激光装置120形成激光束110。 当被感测和电流控制器195命令时，热焊丝电源供应器170提供电流至热焊丝140。
[0041] 在步骤320中，感测何时至少一条阻性填充焊丝140的远侧端将要脱离与工件115 的接触（即，提供预告能力）。这样的感测可以由感测和电流控制器195内的预告电路测量 下列内容中的一个的变化率来实现：填充焊丝140和工件115之间的电位差（dv/dt)，通过 填充焊丝140和工件115的电流（di/dt)，填充焊丝140和工件115之间的电阻（dr/dt)， 或者通过填充焊丝140和工件115的功率（dp/dt)。当变化率超过预先限定的值时，感测和 电流控制器195正式地预测将要出现脱离接触。这样的预告电路在弧焊领域是公知的。
[0042] 当焊丝140的远侧端由于加热的缘故变得高度熔融时，该远侧端可以开始从焊丝 140箍断（pinch off)到工件115上。例如，在那时，因为随着焊丝的远侧端的箍断其截面 快速减小，电位差或电压增加。因此，通过测量这样的变化率，系统100可以预知何时该远 侧端将要箍断并脱离与工件115的接触。再有，如果完全脱离接触，感测和电流控制器195 可以测量到显著大于零伏特的电位差（即，电压水平）。如果不采取步骤330中的措施，该 电位差可以导致在焊丝140的新的远侧端和工件115之间形成电弧。当然，在其他实施方 案中，焊丝140可以不示出任何可感知的箍缩（pinching)而是将以连续的方式流入熔池同 时维持几乎恒定的到熔池中的截面。
[0043] 在步骤330中，响应于感测至少一条阻性填充焊丝140的远侧端将要脱离与工件 115的接触，关闭（或者至少大幅度减少，例如，减少95% )通过至少一条阻性填充焊丝140 的加热电流。当感测和电流控制器195确定接触将要脱离时，控制器195命令热焊丝电源 供应器170切断（或者至少大幅度减少）提供至热焊丝140的电流。以这种方式，避免形 成不必要的电弧，防止出现任何不期望的效果，例如，飞溅或焊穿。
[0044] 在步骤340中，感测何时至少一条阻性填充焊丝140